寬厚板熱處理爐爐底輥結瘤成因及對策

沈彬彬

（山東鋼鐵集團萊蕪分公司技術中心，山東 濟南 271104）

0 引言

輥底式熱處理爐被廣泛應用于中厚板的淬火、正火及回火等熱處理生產。但目前在輥底式熱處理爐的生產過程中，輥面結瘤導致鋼板下表面出了現輥印，造成鋼板大面積修磨甚至報廢，嚴重影響了鋼板產品的表面質量。因此，輥面結瘤問題嚴重影響熱處理產品的正常生產，也一直困擾著工業爐公司和鋼鐵生產企業。為保證鋼板下表面質量，不得不增加檢修時間，清除輥面結瘤，加大拖輥頻次，以減少輥印的產生，從而極大地影響了熱處理行業的作業率和產能[1-2]。

該文結合離線淬火前鋼板表面氧化鐵皮、拋丸用丸料和爐底輥上的結瘤物的掃描電鏡和能譜檢測，系統研究了熱處理爐爐底輥結瘤物的產生原因及形成機理。采取優化拋丸工藝以及控制熱處理爐內氧含量等措施，減少爐底輥結瘤[3]。

1 爐底輥結瘤形成機理分析

筆者收集了離線淬火前鋼板表面氧化鐵皮、拋丸用丸料以及爐底輥上的結瘤物，通過掃描電鏡和能譜檢測分析了爐底輥結瘤物質的主要來源以及形成機理。

1.1 鋼板表面氧化鐵皮檢測及分析

將淬火前的鋼板進行氧化鐵皮取樣，進行掃描電鏡觀察和能譜分析。如圖1所示，鋼板表面氧化鐵皮呈現致密態的片狀結構，對鋼板表面氧化鐵皮進行能譜分析，其譜圖結果如圖2所示。淬火前鋼板表面氧化鐵皮成分如表1所示。

圖1 鋼板表面氧化鐵皮掃描照片

圖2 鋼板表面氧化鐵皮能譜

由表1可知，淬火前鋼板表面氧化鐵皮成分中O元素含量為22.07%，氧元素主要來源于鋼板在加熱及軋制過程中的氧化。在結果中還檢測出6.46%的Ca元素，0.18%的Mg。這主要是因為寬厚板軋線高壓除磷和軋后冷卻時使用的冷卻水中含有鈣、鎂離子。其中鈣、鎂離子以Ca（HCO3）2、Mg（HCO3）2的形式存在，Ca（HCO3）2和Mg（HCO3）2的濃度約為700mg/L～1000mg/L。 軋線高壓除磷和軋后冷卻過程中，Ca（HCO3）2、Mg（HCO3）2遇到熱鋼板以CaCO3和MgCO3的形式發生沉淀，殘留在鋼板表面。

1.2 拋丸機丸料檢測及分析

對拋丸機丸料取樣，進行掃描電鏡觀察和能譜分析。如圖3所示，鋼板表面氧化鐵皮呈現致密態結構，對丸料進行能譜分析，其結果如圖4所示。拋丸機丸料成分如表2所示。從丸料成分可以發現，丸料中未發現Mg、Cl、Ca、Cr等元素成分。Fe含量約為77.3%，氧含量約為23.84%，錳含量約為1.2%。

圖3 拋丸機丸料掃描照片

表2 拋丸機丸料成分

1.3 爐底輥結瘤物檢測及分析

對爐底輥結瘤物進行掃描電鏡觀察和能譜分析。其形貌如圖5所示，該結瘤呈現層狀堆積，其原因是鋼板帶入的以及鋼板在爐內產生的氧化鐵皮積累疊加，并在近乎熱熔的狀態下發生高溫氧化而逐步增大的。圖6為爐底輥結瘤物成分能譜分析。分析了其化學成分，其結果如表3所示。

圖5 結瘤物掃描照片

圖6 結瘤物能譜

表3 爐底輥結瘤物成分

爐底輥結瘤物中檢測出24.75%的O元素，0.27%的Mg元素，4.49%的Ca元素以及63.39%的Fe元素。

1.4 爐底輥結瘤形成機理分析

熱處理爐底輥材質為爐輥（DIN1.4826），其成分為Cr含量25%，Fe含量38.5%，Ni含量35%，Nb含量1.5%，爐底輥成分中不含Ca元素。且除去鋼板表面氧化鐵皮中因冷卻水沉淀的Ca元素外，鋼板基體不含有Ca元素。通過丸料能譜分析可知，丸料中不含有Ca元素。因此，結瘤物中的Ca元素來源于拋丸后在鋼板表面未被拋凈的氧化鐵皮。從Ca元素的檢測分析結果可知，爐底輥結瘤物主要是由于鋼板在熱軋過程中表面形成的氧化鐵皮在拋丸時未被徹底拋干凈，帶入爐內，在熱處理爐高溫狀態下，在近乎熱熔的狀態下黏附到爐底輥表面。

對比鋼板表面氧化鐵皮和結瘤物成分可以發現，結瘤物成分中的Fe元素和O元素的含量較鋼板表面氧化鐵皮中的Fe元素和O元素的含量有所增加。同時，結瘤物成分中的Ca元素較鋼板表面氧化鐵皮中的Ca元素含量有所降低。這主要是由于，鋼板表面氧化鐵皮主要由Fe2O3，Fe3O4，FeO組成，鋼板表面氧化鐵皮中的FeO和鋼板基體的Fe在高溫狀態下，與熱處理爐內的少量氧氣發生氧化反應：6FeO+O2=2Fe3O4，3Fe+2O2=Fe3O4。在爐內新生成的Fe3O4在熱處理爐高溫狀態下，在近乎熱熔的狀態下黏附到爐底輥表面，導致結瘤物中的Fe元素和O元素的含量有所增加，Ca元素的含量有所降低。

在高溫狀態下，輥子表面黏結的氧化鐵皮經鋼板反復碾壓形成層片狀或尖銳結瘤。在高溫狀態下鋼板表面軟化，在自重作用下壓出輥印。該掃描電鏡照片結果與現場生產中鋼板下表面輥壓壓痕逐漸嚴重的事實相符合。

根據熱處理爐爐底輥的成分和形成機理，結合現場設備和工藝情況發現，輥底式熱處理爐爐輥結瘤的原因主要有以下幾個：1）鋼板下表面拋丸不徹底，軋制過程中的氧化鐵皮未有效去除，導致氧化鐵皮在爐內結瘤。2）爐內氧含量過高，鋼板高溫狀態下發生氧化，造成結瘤加劇。

2 爐底輥結瘤控制措施

2.1 提高鋼板拋丸后表面清潔度

鋼板表面氧化鐵皮的清潔度根據GB8923-88進行判定。鋼材拋丸后表面清潔度的四個等級分別用Sa1、Sa2、Sa2.5、Sa3表示。其中Sa3.0為表面清潔度最高標準。要求為鋼板表面無可見的油脂、污垢、氧化鐵皮等附著物，該表面應顯示均勻的金屬色澤。鋼板表面清潔度主要取決于鋼板拋丸速度，拋丸電流2個因素。

如圖7（a）所示，當輥道速度為2m/min時，鋼板表面基本無色差，無明顯氧化鐵皮，丸料打擊均勻鋼板表面清潔度達到Sa3。如圖7（b）所示，當輥道速度增加為4m/min，鋼板表面紅銹較多，氧化鐵皮明顯未拋干凈鋼板表面清潔度達到Sa2.0。這主要是因為，輥道速度較小且拋頭電流大時，鋼板運行慢，單位時間內打擊到鋼板表面的丸料相對較多，打擊效果較好，能較好地保證拋丸后鋼板表面清潔度。鋼板表面氧化鐵皮清除徹底后，能夠有效減少帶入熱處理爐的氧化鐵皮，減少爐底輥結瘤的發生。

圖7 不同拋丸工藝對鋼板表面清潔度的影響

2.2 熱處理爐內氧含量控制

寬厚板熱處理線一號熱處理爐為氮氣輥底式熱處理爐，氮氣通過熱處理爐傳動側的主進氣管送入。根據結瘤物成分檢測及形成機理分析，降低熱吹爐內氧含量，可以有效防止鋼板在爐內受熱導致的鋼板二次氧化，減少爐底輥結瘤的產生。

2.2.1 調整熱處理爐爐壓設定

氮氣的沖入量與熱處理爐爐壓連鎖，當熱處理爐爐壓低于設定值時，氮氣沖入；當熱處理爐爐壓高于設定值時，氮氣停止沖入。因此，提高熱處理爐爐壓設定，可以增加爐內氮氣含量，在開關爐門時能夠防止爐外的空氣進入爐內，同時能夠將爐內的氧氣趕到爐外。

淬火爐共三個氮氣控制點，按外方原工藝，熱處理爐壓設定為0.2hPa，由于氮氣使用量與爐壓進行連鎖，當爐壓高于0.2hPa不進行沖氮。為保證出爐側氮氣充入充足，降低爐內氧含量，將熱處理爐入爐口壓力設定為0.2hPa，中間位置壓力設定為0.25hPa，出爐側壓力設定為0.3hPa，從而增加氮氣充入量，降低爐內氧含量。

2.2.2 降低爐門限位

通過上述分析，熱處理爐出鋼過程中，爐門開啟時間越長，開啟高度越高，由于爐內氣氛外溢，導致爐內壓力降低，爐外空氣進入爐內越多，外界氧氣進入爐內，會導致熱處理爐內氧含量急劇增加且氧含量降低過程更加緩慢。為減少熱處理爐外空氣進入爐內，需要減少出鋼過程中的爐門開啟高度。

熱處理爐目前爐門限位高度為300mm，為降低爐內氧含量數值，將爐門限位降低為200mm。減少氣體外溢，保持爐內壓力，減少氧氣進入。

3 結論

該文結合離線淬火前鋼板表面氧化鐵皮、拋丸用丸料和爐底輥上的結瘤物的掃描電鏡和能譜檢測，系統地研究了熱處理爐爐底輥結瘤物的產生原因及形成機理。爐底輥結瘤物中的Ca元素來源于拋丸后在鋼板表面未被拋凈的氧化鐵皮。從Ca元素的檢測分析結果可知，爐底輥結瘤物產生的主要原因是鋼板在熱軋過程中表面形成的氧化鐵皮在拋丸時未被徹底拋干凈，帶入爐內，在熱處理爐高溫狀態下（近乎熱熔狀態），黏附到爐底輥表面。通過優化拋丸工藝、提高鋼板表面清潔度以及控制熱處理爐內氧含量等措施，可以有效防止熱處理爐爐底輥結瘤。